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隨著電子技術、計算機技術、網絡技術及通信技術的飛速發展，煤礦井下高壓電網的漏電保護也突破了傳統保護形式，出現了以各種處理器為核心的保護插件，為煤礦安全生產作出了重要貢獻。然而當煤礦電網發生漏電故障時，中性點發生改變，高爆開關中的漏電保護功能很難滿足要求，所以有必要對高壓隔爆開關漏電保護插件進行研究。硬件電路設計是微機保護插件設計的基礎，保護插件的功能最終都是通過硬件執行來實現的，設計的好壞直接影響到保護功能的實現和效果。在保證保護插件滿足工作性能和煤礦井下自動化電站設計要求的基礎上，應盡量簡化硬件系統，降低成本。

1漏電保護插件的功能

漏電保護插件是高壓開關中的重要組成部分，不僅是井下供電綜合自動化系統中的關鍵部分，而且與上位機能夠實現高速可靠的通訊。其主要實現的功能有:零序電壓、零序電流測量功能;選擇性漏電保護功能;通過RS485、CAN總線與上位機的通信功能。

2漏電保護插件的硬件系統設計

硬件系統由五部分組成:中央處理單元、數據采集單元、開關量輸入/輸出單元、通信單元和電源單元。漏電保護插件的整體結構框圖如圖1所示。2．1中央處理單元。用于實現計算、邏輯判斷、定時、控制等功能。在選擇CPU時主要考慮:數據處理的速度、便于縮短開發周期、良好的兼容性、能夠實現功能擴展、能夠適應現場惡劣運行環境，滿足系統提出的功能要求，且有足夠I/O接口、具有足夠通信接口，滿足系統各部分之間的數據通訊功能。圖1硬件系統總體結構框圖中央處理單元由DSP芯片TMS320C6747及其外圍器件組成，包括實時時鐘RTC、CPU復位監控、電池監測及晶振電路。TMS320C6747負責數據處理、邏輯判斷、控制、通信等。2．1．1TMS320C6747處理器TMS320C6747是美國TI(德州儀器)公司推出的基于C6000平臺最新C674x系列浮點處理器，可為開發人員提供高度靈活的解決方案，并且TMS320C6747DSP是具備業界最低功耗的浮點DSP。全新的C6745DSP運行速度高達300MHz，包含各種串行端口用于系統控制，其中串行器與FIFO緩沖器的多通道音頻串行端口(McASP)就多達16個。另外，該器件還包含一個8位外部異步存儲器接口(EMIFA)和一個更高速的16位同步外部存儲器接口(EMIFB)，分別用于支持NAND/NOR閃存和SDRAM，片上RAM的容量還增加了128KB，進一步提高系統性能。2．1．2外圍擴展單元微處理器外圍電路包括:實時時鐘RTC、復位電路、晶振電路。1)晶振電路。TMS320C6747微處理器可以通過外部XPLLDIS引腳選擇系統的時鐘源，當XPLLDIS為低電平時，系統采用外部時鐘或晶振直接作為系統時鐘;當XPLLDIS為高電平時，外部時鐘或晶振經過PLL倍頻后為系統提供時鐘。系統可以通過PLL控制器來選擇PLL工作模式和倍頻系數。本插件選擇片上振蕩器30MHz外部晶體為系統提供時鐘，通過內部PLL可以使CPU產生150MHz工作頻率并通過高速預定標器和低速預定標器為外設提供所需時鐘，外接晶體電路如圖2所示。圖2晶振電路2)復位電路。復位電路用于重新啟動CPU令其進入或者返回到預知的循環程序并順序執行。對于實際的DSP應用系統，特別是微機保護系統，可靠性是一個不容忽視的問題。由于DSP系統的時鐘頻率比較高，在運行時也極有可能發生被干擾現象，嚴重時系統可能會出現死機。為了克服這種情況，除了軟件看門狗以外，還必須有一個可靠的硬件看門狗電路，用來監控芯片的電源電平，作為硬件上最有效的保護措施。插件采用TI公司的TPS70302低功耗微處理器電源管理監控芯片。引腳RESET——————輸出低電平;MR1和MR2————為手動復位引腳輸入高電平;VIN1引腳輸入電壓高于內部參考電壓;VOUT2必須大于它的校準電壓的95%。PG1引腳能夠顯示VOUT1的狀態，當VOUT1大于它的校準電壓的95%時，為高電平，否則為低電平。低電平手動復位MR1允許外部按鍵開關產生復位信號。3)實時時鐘(RTC)。實時時鐘(RTC)采用集成芯片FM31256，該芯片在微機保護裝置中的應用電路原理，當串行總線上出現多個芯片時，通過兩個信號實現片選使能;CAL/PFO為時鐘校準和調電輸出，在校準模式下，改引腳輸出512方波，正常操作模式下該引腳輸出掉電錯誤;SCL為串行時鐘輸入，SDA為串行數據/地址輸入輸出。2．2數據采集單元。數據采集單元的主要功能就是將系統所需要的電壓和電流經過電壓互感器和電流互感器的處理輸入到系統中，并經電平轉換、采樣保持和模數轉換后變成可以識別的數字信號。可以將數據采集分成兩個部分:模擬信號調理部分和A/D轉換部分。1)模擬信號調理部分。本保護插件需要采集的信號包括零序電壓和零序電流。由于礦井井下特殊的環境，在井下電力系統高壓電網中，一次互感器變換過后的零序電流、零序電壓信號在導線傳輸過程中，會受到干擾。尤其是電壓信號，經過傳輸后，幅值還會衰減。因此還必須設置信號調理電路，將輸入過程中的模擬量經過處理后送入A/D轉換器。系統發生故障時，含有大量的高頻暫態分量，如果要不失真的對其采樣，需要非常高的采樣頻率，這對硬件的要求將很高，造成成本的大幅增加。目前礦井保護裝置的保護原理大部分都是基于穩態分量的，在采樣前通過低通濾波器濾除高頻分量，將頻率限定在一定的范圍內，這樣不僅降低了對硬件的速度要求，也可以防止出現“頻譜混跌效應”。2)低通濾波器的設計。電力系統中的諧波能使電網的電壓與電流波形發生畸變，特別是三次和五次諧波，通常會使諧波源產生更大的諧波電流，對設備造成相當大的危害，為了避免這些危害，必須有濾波電路將各次諧波濾除。濾波電路是一種選頻網絡，按通頻帶分類，可分為低通、高通、帶通和帶阻等，工頻電網中存在的干擾絕大多數都是高次奇次諧波，因此設計中要采用低通濾波器。按元件分類，濾波器可分為有源濾波器、無源濾波器。本文采用有源濾波。有源濾波器可分為:最大平坦型(巴特沃思型)濾波器、等波紋型(切比雪夫型)濾波器、線性相移型(貝塞爾型)濾波器等。巴特沃斯濾波器通帶最平坦，阻帶下降慢。切比雪夫濾波器通帶等紋波，阻帶下降較快。濾除工頻電流中的諧波，一般以三、五、七次諧波較多，本文設計采用四階切比雪夫模擬濾波器用以消除三次以上諧波對系統造成的影響。此濾波器設計性能要求三次諧波衰減要達到40dB，其電路設計結構和參數如圖上半部分。3)A/D轉換部分。CPU處理的是數字信號，所以經過信號調理的模擬量還必須要經過A/D轉換變成數字量。其保護裝置中數據采集的速度、精度以及動態范圍對其性能有著非常重要的影響。由于TMS320C6747引腳電壓為3．3V，所以本裝置采用輸出數字電壓高電平為3．3V的AD7656轉換器。當SER/PAR和H/S引腳為低電平時，AD7656通過硬件CSTA、CSTB、CSTC引腳實現對采樣通道的控制;W/B引腳接低電平，可以通過并行口D0－15讀取轉換后的數據;CS———為片選引腳，低電平有效;RD———為讀使能信號輸入端，低電平有效;當一個轉化開始時，BUSY引腳輸出高電平，當一個轉換結束，BUSY引腳輸出低電平。2．3開關量輸入與輸出單元。1)開關量輸入單元。開關量輸入單元的信號取自于TMS320C6747，用于識別現場開關的狀態。將所有的輸入開關量均經過光電耦合器，可以使輸入信號與輸出信號在電氣上完全隔離，這樣就避免了開關量對系統的干擾。在開關量輸入中，應用光電耦合器進行隔離，不僅可以隔離外部干擾，而且還起到電平轉換的作用，即:將輸入量轉換為CPU可以處理的電平范圍之內。本文設計中對開關量的采集速度要求不是很高，只選用了開關速度為10ms的光電隔離芯片TLP521。2)開關量輸出單元。開關量輸出單元為真空斷路器跳閘信號。TMS320C6747引腳輸出電平為CMOS電平，限制其不能直接控制外部設備，因此需要經過接口轉換處理之后才能控制外部設備的開啟和關閉。本文設計中采用小型OEGOZ－SS－124L型PCB繼電器去控制漏電后跳閘。OEGOZ－SS－124L型PCB繼電器控制電路。故障時，處理器通過RL1－RL4來控制PCB繼電器，每個繼電器通過兩路信號來控制，這樣有效防止了由于信號干擾出現的誤動作。控制信號經過光電耦合器使+VT12電源驅動PCB繼電器，PCB繼電器通過中間繼電器從而使斷路器跳閘，切開故障電源。2．4通信單元。在現代工業控制系統中，許多控制設備(如PLC)都帶有RS－485接口。因此，有必要設計CAN總線與RS－485總線的通信接口電路。本設計采用MAX485芯片作為收發器，MAX485是半雙工收發器，允許連接點為32個，完全滿足RS－485規范。TMS320C6747集成的增強型CAN總線通信接口，完全兼容于CAN2．0B標準接口。CAN總線協議是一種異步串行通信協議，不僅具有較強的高抗電磁干擾性，可以應用于電磁噪聲比較大的場合;而且帶有32個完全可配置郵箱和定時郵遞功能的增強型CAN總線模塊，能靈活實現穩定的串口通信。DSP本身不具有CAN收發器功能，因此需要外接CAN收發器82C250。82C250為CAN總線收發器，是CAN控制器和物理總線間的接口，能夠提供對總線的差動接收和發送功能。同時，使用光電隔離器TLP2630可以有效實現總線上各節點之間的電氣隔離。2．5電源單元。裝置中有包含多種電源:數字電源Vcc(3．3V)、Vdd(1．8V)、+5V;通信用+5S(+5V);模擬電源+VT3．3、+VT5、+VT24V、±VT12。TPS703xx系列器件的設計為DSP提供完整的電源管理方案，TPS703xx系列穩壓器提供了非常低的壓差和雙輸出功率順序控制，主要針對DSP應用。該器件具有低噪聲輸出性能，無需使用任何附加的旁路電容器，具有快速響應和穩定的47uF低ESR電容器。

3結語

保護插件采用高性能DSP處理器TMS320C6747作為保護裝置的中央處理單元，提高了裝置的性能;采用RS－485和CAN串行通訊接口，實現了微機保護裝置和上位PC機之間的遠程數據通訊。

作者:田文科 單位:潞安礦業集團公司